Die Struktur der Materie im Überblick

Objekte sichtbar machen bloßes Auge: ~ 1mm Auge plus Lupe: ~1/10 mm 10 fach vergrößert Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer) 1000 fach vergrößert Immer noch keine Bausteine sichtbar Wie groß sind die eigentlich ?

Wie kann man 0.001 µm „sehen“? Was heisst überhaupt „sehen“ ? Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil)  Zielobjekt  Nachweisdetektor Dazu nötig: Größe der Projektile << Größe der Strukturen Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Wichtig: „Auflösungsvermögen“

Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle

Projektil: Tennisbälle

Projektil: Murmeln ...Nichts wie weg !

Objekte mit Wellen sichtbar machen

Verfügbare Wellenlängen eletromagnetische Wellen LW 3000 m MW 300 m KW 30 m UKW 3 m GPS 0.3 m Infrarot 10-6 m Licht 5 10-7 m 2 eV UV 10-7 m 10 eV Röntgen Strahlung 10-10 m 104 eV γ-Strahlung 10-12 m 106 eV

Lichtwellen haben Teilcheneigenschaft Teilchen haben Welleneigenschaft Erkenntnisse der Quantenphysik Entdeckung: Lichtwellen haben Teilcheneigenschaft (Photoeffekt) Entdeckung: Teilchen haben Welleneigenschaft (Elektronenmikroskop)

Photoelektischer Effekt: Energie Erhaltung Elektron Energie Ee= h- Ebinding Elektron Energie Emax= h- eUwork

Huygens: Welle Interferenz und Beugung z.B. Thomas Young Doppelspalt (1801)

angeregtes Helium zum einfacheren Nachweis Atome als Wellen Eintrittsschlitz 2mm He* inkohärent l = 0.47 Å 1mm 8mm angeregtes Helium zum einfacheren Nachweis Wellenlänge (i.e. Geschwindigkeit) muss “scharf” sein Schlitze!! Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

Mögliche Projektile für Strukturen < 0.001 µm Sichtbare Lichtteilchen (!) (Photonen bei 0.25-0.5 eV) Punktförmig (< 0.001 fm) Treffgenauigkeit: 0.8 µm – 0.4 µm („Wellenlänge“) Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV) Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius) Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar Elektronen bei 20 keV Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius (!) ) Protonen bei 2 GeV Größe: 1 fm Treffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius) ...

allgemeiner Zusammenhang: 1 eV für Auflösung 10-6 m 1 keV 10-9 m 1 MeV 10-12 m 1 GeV 10-15 m 1 TeV 10-18 m Energie: 1 Elektron Volt = 1 eV = 1.6 1019 Joule

1 keV=103 eV (Elektronenmikroskop) Die Mikroskope der Teilchenphysiker: Beschleuniger Objekt Größe Energie Kristall 10-6 m 1 eV (Lichtmikroskop) Molekül 10-9 m 1 keV=103 eV (Elektronenmikroskop) Atom 10-10 m 10 keV=104 eV Atomkern 10-14 m 100 MeV=108 eV Proton 10-15 m 1 GeV=109 eV Quark/Elektron <10-18 m 1 TeV=1012 eV 1 eV=1.6 10-19 Joule

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Haben Sie auch daheim! Funktionsprinzip: Simulation Linearbeschleuniger: Fermilab, Chicago (in Betrieb) DESY, Hamburg (in Planung)

Die Struktur des Atoms 1911 Beschuss mit Heliumkernen auf Goldfolie Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm Atomdurchmesser: 100.000 fm harter Kern: 5 fm 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff  Beobachtung einzelner Protonen 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium  Beobachtung einzelner Neutronen kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen umgeben von riesiger Elektronenhülle

Bausteine der Atomkerne

Das Quark-Gluon-Plasma

Das Quark-Gluon-Plasma

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder

Suche nach Bausteinen der Materie Blasenkammeraufnahme

Zusammenfassung Bausteine Fundamentale Bausteine der Materie: Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d Alle punktförmig ( < 0.001 fm) Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?

Quarks, Bausteine der Hadronen Name Ladung Masse in GeV/c2 up 2/3 0.005 down -1/3 0.01 charm 1.5 strange 0.15 top 175 bottom 4.5 Proton 0.938 GeV/c2 Meson 2 Quarks 1 eV=1.9 10-19 Joule 1 eV/c2= 1.78 10-36 kg 1 GeV/c2=109 eV/c2

Der ß-Zerfall im Bild des Standardmodell

Die Leptonen Name Ladung Masse in GeV/c2 Elektron -1 0.0005 Elektron Neutrino ? Myon 0.1 Myon Neutrino Tau 1.8 Tau Neutrino 1 eV=1.6 10-19 Joule 1 eV/c2= 1.78 10-36 kg 1 GeV/c2=109 eV/c2

Antimaterie: Ein "Spiegelbild" der Materie